Исследование механических эффектов в деформируемых средах при взрывном нагружении тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

На правах рукописи

КАМАЛЯН САМВЕЛ РУБЕНОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ В ДЕФОРМИРУЕМЫХ СРЕДАХ ПРИ ВЗРЫВНОМ НАГРУЖЕНИИ

Специальность 01.02.04 — «Механика деформируемого твердого тела»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

5 ДЕК г013

Краснодар 2013

005541747

005541747

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный университет»

Научный консультант академик РАН

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

доктор физико-математических наук

доктор физико-математических наук

С.С. Григорян

В.В. Калинчук В.И. Дунаев E.H. Калайдин

Ведущая организация Институт прикладной механики РАН

Защита диссертации состоится 24 декабря 2013 г. в 16:00 на заседании диссертационного совета Д 212.101.07 в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный университет» по адресу: 350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, ауд. 231.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного университета.

Автореферат разослан 24 ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.101.07 доктор физико-математических наук, доцент

М.В. Зарецкая

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие таких областей механики сплошных сред, как гидромеханика и механика твердого тела, обуславливает возрастание интереса к применению методов этой науки для исследования деформаций тел при импульсном (высокоскоростном) воздействии на них.

Наибольший интерес представляют задачи динамики деформируемого твердого тела, возникающие в так называемом взрывном деле, к которым относятся: образование полостей в грунтах и горных породах, зон уплотнения в мягких и пористых грунтах, образование провальных воронок и воронок выброса, образование кратеров при падении метеоритов и высокоскоростном соударении тел, а также сварка и упрочнение металлов взрывом.

Решение этих задач опирается на теоретические и экспериментальные результаты по широкому спектру исследований закономерностей деформаций грунтов и горных пород, а также металлов и сплавов.

Представляемая работа, с одной стороны, находится в русле тематики, связанной с использованием энергии взрыва для деформации и экскавации грунтов и горных пород. Здесь рассмотрены теоретические задачи от камуфлетного взрыва до образования воронок выброса в различных грунтах, подтвержденные экспериментальными данными.

Исследованию механических эффектов подземного взрыва посвящено много публикаций как у нас в стране, так и за рубежом. В первую очередь следует отметить фундаментальные работы отечественных исследователей С.С. Григоряна, В.Н. Родионова, А.Н. Ромашова, Х.А. Рахмату-лина, А.Я. Сагомоняна, H.A. Алексеева, Г.М. Ляхова, В.Н. Николаевского, Н.В. Зволинского, В.М. Кузнецова, В.В. Адушкина, Е.И. Шемякина и др.

Среди зарубежных исследований в этой области известны работы П. Чедвика, А. Кокса, Г. Гопкинса, Г.Л. Броуда, Дж.Э. Энстрома, В.Р. Обербека, А.Е. Шервуда, М.Д. Нордайка, Г.Д. Джонса, И.Т. Чепи, Ф.Л. Петерсена, И.В. Нокса, И.Г. Черри и др.

С другой стороны, значительная часть исследований посвящена деформации металлов энергией взрывчатых веществ (ВВ). Нужно отметить, что это направление имеет достаточно богатую историю. Существенен вклад ученых Новосибирского института гидродинамики, особенно выделяются исследования A.A. Дерибаса, И.В. Яковлева, В.М. Симонова,

B.М. Кудинова, Т.М. Соболенко, И.Д. Захаренко, Ю.А. Конона и др.

В плане теоретических исследований следует отметить работы

C.К. Годунова, A.A. Дерибаса, А.Н. Дремина, Ю.А. Гордополова, A.B. Уткина, В.М. Корнева, С.К. Асланова и многих других.

Среди зарубежных исследователей наиболее известны теоретические и экспериментальные работы Г.Р. Абрахамсона, Я.Х. Ханта, А.Б. Кросланда, A.C. Бахрани, У. Бабула, Е. Володарчика, У. Аллена, Г.Р. Гована, O.P. Бергмана, А.Х. Хольцмана, Я.О. Еркмана, Я.Л. Робинсона, М.Д. Мейера, P.E. Каплана, Я.Х. Мичела, X.JI. Моррисона, Я.У. Роджерса, Я.Д. Уильямса и др.

Однако, несмотря на многолетние усилия и многочисленные публикации исследователей из разных стран, до сих пор не удалось создать количественную модель для полного и адекватного описания всех особенностей процессов импульсной деформации грунтов и горных пород, сварки и упрочнения металлов.

Пока все эти вопросы решаются весьма приближенно. Основой расчетов служат различные эмпирические формулы и правила. При все возрастающем требовании достижения максимальной эффективности использования энергии ВВ и получения качественных результатов проблема усовершенствования существующих и разработка новых технологических схем, научнообоснованных методов расчета параметров зарядов является актуальной.

Цель работы. Разработка схем (моделей) расчета взрыва на выброс в мягких грунтах, обоснование и выбор математических моделей механических эффектов при подземных взрывах и высокоскоростном соударении, экспериментальные исследования эффектов при сварке и упрочнении металлов взрывом, подбор математических моделей описания этих эффектов и других проблем, связанных с прикладным применением энергии взрыва.

Основная идея диссертационного исследования заключается в реализации (хотя бы частичной) методов математического моделирования в прогнозировании механических эффектов в твердых телах при импульсном воздействии на них.

Основные задачи работы.

1. Обоснование и выбор математических моделей камуфлетных взрывов в мягких грунтах и в грунтах с высокой пористостью.

2. Сравнительный анализ моделей расчета заряда выброса сферической симметрии с экспериментальными данными.

3. Уточнение модели механизма образования ударных кратеров.

4. Обоснование применения модели к описанию действия вертикальных цилиндрических зарядов выброса.

5. Экспериментальные исследования эффектов при сварке и упрочнении металлов взрывом и обоснование выбора математической модели.

Методы исследования. Решение поставленных в работе задач осуществлено путем анализа и обобщения многочисленных публикаций по

данной теме, проведения аналитических и экспериментальных исследований в лабораторных и натурных условиях.

Научная новизна.

1. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден выбор математических моделей камуфлетных взрывов в грунтах с высокой пористостью.

2. Впервые проведен сравнительный анализ моделей расчета зарядов выброса сферической симметрии с экспериментальными данными.

3. В гидроимпульсной постановке решена задача о действии вертикального цилиндрического заряда выброса.

4. Обоснована модель щелевого заряда, на основе которой получена расчетная формула определения массы заряда.

5. Рассмотрено действие системы вертикальных цилиндрических зарядов выброса. Получены впервые соотношения, объединяющие всю совокупность параметров буровзрывных работ.

6. С физической точки зрения разрешен парадокс бесконечности энергии горизонтального цилиндрического заряда выброса, возникающего при применении модели идеальной несжимаемой жидкости.

7. Проанализирована немонотонность зависимости глубины кратера от скорости удара, возникающая на определенном промежутке. На основе анализа физических процессов явления и аналитических расчетов обоснован механизм возникновения немонотонности.

8. Приведены результаты многочисленных экспериментальных исследований по сварке различных металлов взрывом с подробным описанием технологических схем. На основе этих исследований и анализа публикаций других авторов обоснована физическая модель взрывного соединения металлов.

9. Показана прикладная эффективность импульсного метода упрочнения металлов. Установлено, что величиной упрочнения, глубиной упрочненного слоя можно управлять за счет типа и толщины взрывчатого вещества, числа подрывов и расположения зарядов. Установлено, что выбор математической модели, адекватно описывающей поведение металла при импульсном упрочнении, на данном этапе не представляется возможным.

10. Изложены технологические схемы обработки в полевых условиях металлов и металлоизделий энергией взрыва: сварки, упрочнения, опрессования.

Достоверность н обоснованность научных результатов и выводов основана на корректности постановок задач и используемого математиче-

ского аппарата, адекватности математических моделей и согласованности теоретических расчетов с экспериментальными данными.

Практическая ценность работы: разработаны инженерные методы расчета параметров вертикальных цилиндрических и щелевых зарядов выброса; технологические схемы обработки металлоизделий в полевых условиях.

Работа выполнялась в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 г. (соглашение между КубГУ и Минобрнаукой №14.В37.21.0869 от 06.09.2012 по теме «Развитие метода блочных элементов для оценки резонансных свойств тел и конструкций сложного строения»).

Положения, выносимые на защиту: 1) метод построения математической модели в мягких грунтах - формулировка и вывод математических соотношений с соответствующим обоснованием упрощающих предположений; 2) результат анализа моделей расчета зарядов сферической симметрии в сравнении, впервые, с экспериментальными данными; 3) на основе особенностей действия вертикальных цилиндрических зарядов выброса - гидроимпульсная модель расчета зарядов; модель расчета щелевого заряда и системы вертикальных цилиндрических зарядов выброса; механизм образования кратеров при высокоскоростном соударении; обоснование модели сильных возмущений в пористой среде; новые результаты экспериментальных исследований по сварке и упрочнению металлов.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на нескольких конференциях, семинарах и совещаниях, в том числе на Всероссийских симпозиумах по промышленной и прикладной математике (Санкт-Петербург, 2005 г.), (Кисловодск, 2006 г.), (Йошкар-Ола, 2006 г.), (Сочи - Адлер, 2007 г.), (Сочи - Дагомыс, 2009 г.), на IV Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные задачи математического моделирования и информационных технологий» (Сочи, 2008 г.), на III Международной научно-практической конференции «Физико-математические и естественные науки (Таганрог, 2012 г.), на семинаре отдела механики природных процессов НИИ механики МГУ (Москва, 2010 г.). Полностью работа была доложена на объединенном семинаре Научно-исследовательского центра прогнозирования и предупреждения геоэкологических и технологических катастроф и кафедры математического моделирования Кубанского государственного университета (Краснодар, 2013 г.).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 23 публикациях, включая одну монографию, 11 статей в изданиях, входящих в перечень ведущих научных журналов, рекомендованных ВАК.

Личный вклад автора. В работах, выполненных в соавторстве, соискателю принадлежат теоретические разработки, в частности, обоснование и выбор математических моделей, обработка результатов экспериментальных данных, анализ и выводы.

Объем н структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка. Общий объем диссертации 378 страниц, в том числе 25 таблиц, 212 рисунков, библиографический список из 211 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, ее научная новизна, теоретическая и практическая значимость. Приведена цель и поставлены задачи диссертационного исследования.

В первой главе рассмотрено современное состояние исследуемых вопросов: произведена классификация задач взрывного дела по условиям соответствия их теоретическим задачам механики сплошной среды и применения соответствующих математических моделей. Эта классификация выглядит следующим образом:

1. Взрывы на рыхление в скальных, полускальных и в отдельных случаях связных неводонасыщенных грунтах в случае применения зарядов, которые можно считать сосредоточенными (заряды сферической или центральной симметрии) или цилиндрическими (заряды осевой симметрии).

2. Взрывы на выброс в несжимаемых грунтах (скальных, связных водонасыщенных) в случае применения зарядов и серий зарядов сосредоточенных, цилиндрических и плоских.

3. Взрывы на выброс с одновременным уплотнением сжимаемых грунтов в случае применения цилиндрических и сосредоточенных зарядов.

4. Камуфлетные взрывы в сжимаемых грунтах в случае применения сосредоточенных и цилиндрических зарядов.

5. Специальные взрывы с целью изменения фильтрационных или прочностных свойств грунтов, а также с целью уплотнения двухкомпо-нентных (водонасыщенных) грунтов за счет отгона воды с применением сосредоточенных и цилиндрических зарядов.

6. Обработка металлов взрывом: сварки и упрочнение металлов энергией взрыва.

В рассмотренной классификации, кроме обработки металлов взрывом, основополагающей является камуфлетная стадия. В зависимости от

характера взрыва эта стадия может быть различной продолжительности. Максимальное время развития соответствует взрыву полного камуфлета.

Исследованиям камуфлетных взрывов посвящены работы С.С.Григоряна, В.Н.Родионова, А.Н.Ромашова, В.В. Адушкина, Е.И. Шемякина, Н.С. Санасаряна, В.М. Кузнецова, Э.Л. Кошелева,

A.A. Спивака, И.А. Сизова, В.М. Цветкова, А.П. Сухотина и др.

Теоретическая постановка задачи о камуфлетном взрыве в грунте в общих чертах сводится к следующему. Принимается некоторая модель среды (т.е. задаются определяющие ее уравнения). Начальное состояние (/ < 0) предполагается невозмущенным во всем пространстве. Имеется некоторая начальная полость соответствующей симметрии, в которой при t = +0 возникает давление /"„(О), убывающее при последующем расширении полости по адиабатическому закону. На поверхности полости задаются граничные условия, с помощью которых находятся решения уравнений движения и непрерывности при / > 0, г0(/) < г < оо, где r0(t) - радиус полости, являющейся также искомой функцией. Решение конструируется на основании некоторых предварительных представлений, причем разнообразие возможных ситуаций зависит от принятой модели среды и в конечном счете от конкретной цели исследования.

Проблема расчета взрыва на выброс издавна привлекала внимание исследователей. Накопленный большой экспериментальный материал по полевым и модельным опытам позволил установить основные черты процессов, происходящих при взрыве на выброс, знание которых является необходимым условием постановки задачи в рамках механики сплошной среды.

Большой вклад в решение проблем взрыва на выброс внесли исследования Г.И. Покровского, В.Н. Родионова, А.Н. Ромашова,

B.В. Адушкина, В.М. Кузнецова, A.A. Вовка, В.Г. Кравца, Р.З. Камаляна, Г.И. Черного, E.H. Шера, А.Ф. Шацукевича и др.

По сравнению с камуфлетными взрывами результаты теоретических исследований взрывов на выброс выглядят скромнее, что обусловлено большей сложностью процессов, вызывающих значительные математические затруднения при их описании. Именно этим и объясняется наличие многочисленных формул по определению массы зарядов выброса (в основном зарядов сферической симметрии). Как показывает анализ, авторы этих формул сравнительно произвольно подбирали те или иные математические выражения, стремясь только в большей степени удовлетворить имеющимся в их распоряжении экспериментальным данным. Так как обычно эти данные охватывали ограниченный интервал значений весов зарядов и ограниченный диапазон изучаемых сред и взрывчатых веществ, то,

оставаясь приближенно справедливыми для некоторых условий, они, при попытке обобщения их на другие условия, давали обычно значительные отклонения от данных практики. Стремление к получению более точных формул приводило исследователей к введению поправок, коэффициентов, а в ряде случаев и к созданию новых зависимостей. Заметим, что применение моделей для расчета зарядов началось значительно позже. Эти соотношения получены в основном с использованием гидродинамической модели взрыва на выброс и не всегда физически обоснованы, что послужило причиной проведения сравнительного анализа расчетных формул, полученных на основе моделей и эмпирически и их соответствия экспериментальным данным.

Кратерообразование (воронкообразование) при взрыве вблизи поверхности и высокоскоростном ударе представляет собой весьма интересную область механики, тесно связанную с гидродинамикой, механикой грунтов и скальных пород, физикой ударных волн и высоких давлений и другими разделами механики и физики в целом.

Механике кратерообразования посвящено множество исследований как теоретических, так и экспериментальных. Среди них следует отметить работы М.А. Лаврентьева, К.П. Станюковича, А.И. Дабижи, Б.А. Иванова, В.М. Титова, В.В. Федынского, JI.B. Леонтьева, А.Т. Базилевского, В.Р. Обербека и др. Однако несмотря на многочисленные публикации, посвященные механике кратерообразования анализ экспериментальных данных позволил установить наличие участка немонотонности в зависимости глубины проникновения от скорости соударения. Эта проблема отмечена многими исследователями. Так как анализ литературных источников показал, что данная проблема не получила своего окончательного решения, то она стала одним из объектов наших исследований.

Во взрывном деле понятие «металлообработки взрывом» возникло примерно с середины 1950-х гг. Термин «сварка взрывом» имеет американское происхождение, автором которого является В. Филипчук. В нашей стране систематические исследования в области сварки и упрочнения металлов были начаты в Институте гидродинамики Сибирского отделения Академии наук с 1961 г. Значительны результаты, полученные в этом направлении сотрудниками института, а также отечественных ученых в целом. Здесь следует отметить исследования С.К. Годунова,

A.A. Дерибаса, В.М. Кудинова, В.А. Симонова, И.В. Яковлева,

B.М. Корнева, Г.Е. Кузьмина, В.В. Пай, Ю.А. Гордополова, А.Н. Дремина, В.И. Мали, И.Д. Захаренко, A.B. Уткина, А.Н. Михайлова и др. Их результаты отражены в многочисленных статьях и монографиях. Однако несмотря на это вот уже многие десятилетия не увядает интерес к эксперимен-

тальным исследованиям. Связано это с тем, что до сих пор не удалось создать количественную модель для полного и адекватного описания всех особенностей процессов сварки и упрочнения взрывом.

Нами, на основе большого объема полевого экспериментального материала, установлены некоторые закономерности между параметрами и типами ВВ и качеством сварки и упрочнения металлов.

Во второй главе представлен комплекс задач взрывного дела, включающий задачу о камуфлетном взрыве в мягких грунтах, расчет зарядов выброса сферической симметрии, анализ действия вертикальных цилиндрических зарядов выброса и расчет массы заряда в гидроимпульсной постановке, рассмотрена модель расчета щелевого заряда и системы вертикальных цилиндрических зарядов выброса, разрешена проблема бесконечности энергии цилиндрического заряда выброса и проблема немонотонности образования кратера при высокоскоростном соударении, проанализированы особенности действия заряда камуфлета в сильнопористой среде и предложен подход к построению математической модели в таких средах, а также представлены некоторые результаты экспериментальных исследований камуфлетных взрывов.

Рассмотрение камуфлетного взрыва свелось к подробному анализу этапов его действия и обоснованию всех упрощающих предположений при построении математической модели. Новизна здесь заключается в самом подходе к выводу основных уравнений.

Анализ моделей расчета зарядов выброса сферической симметрии был проведен с целью последующего сопоставления с экспериментальными данными. Из достаточно большого числа имеющихся расчетных формул предпочтение было отдано четырем. Две формулы были получены в представлении среды как идеальной несжимаемой жидкости, одна получена с использованием теории размерностей, еще одна, полученная экспериментально, имеет наибольшее распространение во взрывном деле и известна как формула Борескова. Несмотря на разные подходы все четыре формулы можно представить в виде

д=ки3/(п), (1)

где 2 - масса заряда ВВ; И — глубина заложения заряда; к — величина, характеризующая свойства разрушаемой среды и свойства взрывчатого вещества (так называемый удельный расход ВВ); п — показатель действия взрыва равный п = г/И\ г — радиус воронки выброса; /(п) — функция показателя выброса, которая для жидкостных моделей имеет вид

1 + л

т-

для формулы, полученной методом теории размерностей

2(ЗИ2+4)2 /(«) = —->-

и для формулы Борескова

л+ 97

/(«) = 0,4 + 0,6и3.

(3)

(4)

(5)

Из проведенного анализа получены оптимальные теоретические значения показателя выброса: для формулы (2) и и 1,41, для формулы (3) -п к. 1,55, для формулы (4) п »2,03; функция (5) оптимального значения не имеет.

Зависимость /(«) от показателя выброса п для рассмотренных формул в сравнении с экспериментальными данными представлена на рис. 1.

.........Ж.....'/'..... */ / ;: ,4 /

/ » <

* * " щ. . -

Рис. 1. Зависимость /(и) от показателя выброса, рассчитанная по формулам: 1 - (3), 2 - (2), 3 - (4), 4 - (5)

Зная оптимальное значение показателя выброса, нетрудно определить и оптимальную глубину заложения заряда для получения воронки заданного радиуса.

Практикой взрывных работ установлено, что воронка выброса максимального объема наблюдается примерно при п = 2. Этому значению показателя выброса лучше соответствует формула (4). Из рис. 1 видно, что наилучшее соответствие с экспериментальными данными наблюдается у формулы (4).

Таким образом, из сравнительного анализа следует, что получаемые теоретические результаты с использованием модели грунта как идеальной несжимаемой жидкости далеки от реальных и пригодны больше для проведения качественного анализа, чем для количественных оценок.

Анализ результатов экспериментальных взрывов вертикальными цилиндрическими зарядами выброса позволил раскрыть достаточно полно картину взаимодействия заряда с окружающей средой, что дало возможность решить задачу об определении массы заряда выброса в гидроимпульсной постановке. Схема расчета показана на рис. 2 и 3.

В работе обоснована используемая модель и приведен подробный вывод формулы, которая в принятых обозначениях имеет вид

п2 + НИ У~1

п Я2 + к 2 ' % -1

п2 + М 2 2

2 ас А Ъ

Здесь р — среднее давление, действующее в течение эффективного времени т; / — длина заряда; 6тах — предельно допустимый сдвиг; с — удельная энергия ВВ; а - доля полной энергии ВВ.

Формула (6) является искомым соотношением, связывающим между собой параметры с/, И, п, /3 для одиночного скважинного заряда.

■і—н

Рис. 2. Общий вид заряда выброса

- А

£ \ 0

у

Л,,.,,,,,-,

к,. міг .¿у

І

Рис. 3. Схема к расчету вертикального цилиндрического заряда выброса

Под щелевым зарядом понимается горизонтальный непрерывный заряд, у которого высота b существенно превышает его толщину d, т.е. b»d. Необходимость в изучении действия щелевых зарядов обусловлена возможностью применения цепочки скважинных зарядов выброса для получения протяженных выемок. Подход, использованный в работе для нахождения массы щелевого заряда, не нов. Для решения проблемы установлена физическая область движения грунта, которая затем была переведена в область комплексного потенциала с целью нахождения комплексного потенциала скорости. Последующие отображения и выкладки, основанные на методах теории функций комплексного переменного, позволили получить формулу вида

q = kh2[n2+\)2/п(і + ІЗІ2), (7)

где /3 = b/n ; к — постоянная, учитывающая свойства грунта и ВВ.

Практическая реализация зарядов, близких к щелевым, возможна, например, с помощью скважинных зарядов (рис. 4)

а

Рис. 4. Система скважинных зарядов

В работе обоснован и изложен подход, с помощью которого осуществлен переход от формулы (7) к формуле для системы скважинных зарядов. Эта формула имеет вид

2 ("2+1)2 Л7 (1 + 0/2)

где q. — заряд ВВ, приходящийся на единицу длины скважины; 7 = Ь/а.

Проблема бесконечности энергии цилиндрического заряда выброса связана с применением модели идеальной несжимаемой жидкости. Эта проблема впервые была отмечена в монографии В.М.Кузнецова. К этой проблеме, согласно В.М. Кузнецову, можно прийти следующим образом. Для идеальной несжимаемой жидкости в условиях цилиндрической симметрии и отсутствия движения вдоль оси симметрии поле скоростей вследствие уравнения неразрывности

дг г

имеет вид

г

где г - расстояние от оси; /(г) - функция времени.

Если попытаться рассмотреть радиальное расширение газового пузыря в жидкости, занимающей всю плоскость, то оказывается, что кинетическая энергия

IX)

т\гс1г

(а - радиус пузыря; р - плотность жидкости) равна бесконечности.

Это обстоятельство является причиной многочисленных затруднений, связанных с применением модели идеальной несжимаемой жидкости в различных прикладных задачах и, в частности, в задачах, связанных с исследованием взрыва длинных горизонтальных (шнуровых, траншейных) зарядов выброса. Ситуация выглядит парадоксальной в свете того, что теоретические решения для случая сферической симметрии дают хорошее совпадение с экспериментами. Заметим, что данная проблема была объектом длительных обсуждений между В.М. Кузнецовым и Р.З. Камаляном при строительстве достаточно протяженных коллекторов с применением горизонтальных (траншейных) зарядов выброса на объектах гидромелиоративного строительства в Средней Азии.

Парадокс связан с особенностью модели идеальной несжимаемой жидкости, которая не учитывает реальные процессы, связанные с деформацией среды и диссипацией энергии заряда.

Анализ результатов многочисленных взрывов на выброс, осуществленных горизонтальными цилиндрическими зарядами, технологические особенности применения таких зарядов позволили разрешить парадокс бесконечности энергии с физической точки зрения.

Механизм образования ударных (при падении метеоритов) и взрывных кратеров практически одинаков, хотя имеются некоторые характерные особенности. Однако несмотря на многочисленные публикации, посвященные ударному кратерообразованию, в одной из работ академика М.А. Лаврентьева указывается на наличие характерного участка немонотонности в зависимости отношения глубины пробития к диаметру частицы ударника от скорости удара в определенном диапазоне скоростей.

Следует отметить, что немонотонность отмечена и другими исследователями (Р. Эйчельбергер, Дж. Кайнаке - рис.5, В.М.Захаров, И.Е. Хорев — рис. 6), однако их объяснение этого явления нам представляется неубедительным.

Р 2'5 т

/ /(

/ ! ,Д 1.Л--+"

Л

V, «'¡г 1с

Рис. 5. Зависимость глубины кратера от скорости удара в случае соударения стальных снарядов со свинцовыми преградами

Насколько нам известно, что также отмечается и в работе М.А. Лаврентьева, механизм раскрытия этого эффекта своего завершающего развития не получил. В этой связи нами на основе анализа имеющихся публикаций и экспериментальных данных дано вполне исчерпывающее объяснение данного явления. Из этого анализа следует, что в области низ-

ких скоростей соударения глубина внедрения очень быстро возрастает с увеличением скорости, а затем резко падает до тех пор, пока не будет достигнута скорость, известная в литературе как высокоскоростной порог. На этом участке, соответствующем области малых скоростей, кратер имеет форму усеченного конуса и образуется за счет силового фактора, т.е. при малых скоростях глубина пробития определяется пластической деформацией материала преграды. В этом диапазоне скоростей глубину пробития можно определить по известной формуле, предложенной В. Гольдсмитом

1 ' ' 1 ' I = --С Л [га--Гей, (8)

то о РАС»а

где У0 - скорость удара; Т7 - контактная сила; р - плотность; А — площадь поперечного сечения; С0 = у[Ё[р Е - модуль Юнга.

Ьк, мм

м{с

Рис. 6. Зависимость глубины кратера от скорости удара для преград с твердостью по Бринеллю: 1 - ПОКГ/мм1, 2 - 300, 3 - 440

На рис. 7 эта область представлена прямой 1.

С увеличением скорости соударения механизм образования кратера перестает быть чисто силовым. Образование кратера в этой области соответствует кривой 2, рассчитанной по полученной нами формуле

а ре,Р/7'

где й/ — диаметр частицы ударника; рп — плотность преграды; руд — плотность материала ударника; £1 — энергия, потребная на испарение 1 г среды, включая скрытую теплоту испарения.

2

* У

1 1 > г

/ > .V у

р

п ' 1

0123456788 10 11

Рис. 7. Зависимость отношения глубины пробития £ к диаметру частицы ударника й? от скорости удара у0 : 1 и 2 - расчетные зависимости, точки — экспериментальные данные

При больших скоростях форма кратера изменяется и напоминает полусферу. Несомненно, процесс формоизменения вносит свой вклад в уменьшение глубины проникания. Однако не менее важна возрастающая с увеличением скорости удара роль волны разгрузки, которая возникает при отражении ударной волны на границе раздела сред. Как только волна разгрузки доходит до свободной поверхности, движение вглубь преграды прекращается и начинается обратный процесс — придонная часть «приподнимается», уменьшая общую глубину кратера. Причем в зависимости от физико-механических свойств преграды дно кратера может не только «приподняться», но и стать выпуклым, образуя так называемое центральное поднятие. При достижении скорости удара величины, превышающей

высокоскоростной порог, физические процессы кратерообразования превалируют над волной разгрузки и глубина кратера начинает монотонно увеличиваться.

При теоретическом исследовании камуфлетного взрыва в грунте обычно полагают, что расширение продуктов детонации (ПД) происходит адиабатически, т.е. без теплообмена с окружающей средой. Такой подход, возможно, оправдан для случая плотных грунтов естественной влажности и в глинистых грунтах, близких к водонасыщенным. Об этом свидетельствуют и результаты экспериментальных взрывов камуфлетного действия, произведенных в грунтах, представленных глинами и тяжелыми суглинками. Характер изменения радиуса полости от массы заряда при постоянной глубине заложения заряда представлен на рис. 8. Как видно из рисунка, разброс точек незначительный, что говорит о достаточно высоком коэффициенте полезного использования энергии ПД и правомочности применения схемы их адиабатического расширения.

Рис. 8. Изменение радиуса полости в зависимости от массы заряда

Однако в высокопористых и пористых грунтах (пески, супеси) картина взаимодействия продуктов детонации с окружающей средой имеет отличительные черты, что подтверждается многочисленными исследованиями. Здесь особо следует отметить работы В.М. Кузнецова, А.Ф. Шацукевича и др. Дело в том, что при давлении в десятки и сотни ки-лобар возможно значительное увеличение площади поверхности контакта ПД с твердым телом за счет проникновения продуктов детонации в поры и трещины среды, что может привести как к увеличению теплоотдачи вследствие конвективного теплообмена, так и к прямому захвату продуктов детонации при помощи механизмов сорбции. Об этом свидетельствуют и ре-

зультаты лабораторных исследований работоспособности взрывчатых веществ, осуществляемых в бомбе Трауцля. Зависимость работоспособности от теплоты взрыва представлена на рис. 9.

Заметим, что теплота является одной из главных характеристик ВВ, так как определяет его работоспособность и параметры детонации. Из рис. 9 видно, что разброс экспериментальных точек весьма велик. Так как в качестве забойки используется песок, то не исключено, что и здесь работает механизм тепломассопотерь.

Рис.9. Зависимость работоспособности взрывчатого

вещества от теплоты взрыва д(кДж/кг)

В этой связи для теоретического изучения взрыва в сильно пористой среде необходимо использовать наиболее полную модель, в которой соотношения, характеризующие те или иные законы сохранения, учитывали бы теплообмен между газами высокой энергии и частицами пористой среды, дилатансионное разрыхление, реальное уравнение состояния ПД, а также другие существенные эффекты. В работе приведен пример построения такой модели.

В завершении главы представлены некоторые результаты экспериментальных исследований камуфлетных взрывов. По результатам этих

исследований построена зависимость изменения радиуса полости от массы заряда при постоянной глубине его заложения (рис. 8).

Третья глава посвящена интереснейшему направлению механики деформируемого твердого тела - сварке металлов энергией взрыва. Практически с первых опытов по сварке взрывом было отмечено появление волн на границе соединения металлов (рис. 10). Поэтому часто этот феномен связывали с процессом сварки металлов взрывом, считая волнообразование ответственным за механические характеристики получаемых двух- и многослойных материалов. Однако впоследствии было установлено, что сварка взрывом возможна и без образования волн, а волнообразование не всегда сопровождается появлением соединения между соударяющимися образцами (рис. 11). Было установлено, что в зависимости от соединяемой пары металлов появление волнообразной границы соединения и развитые пластические деформации соударяющихся поверхностей могут иметь как положительное, так и отрицательное влияние на механические характеристики полученного соединения. В этой связи оказалось необходимым исследование волнообразования при косых соударениях материалов как самостоятельное физическое явление. Проведенный обзорный анализ основных работ по сварке взрывом, сравнение предложенных механизмов сварки и построенных математических моделей показал и отсутствие единой количественной модели для полного и адекватного описания всех особенностей процесса. По-видимому, отсутствие единого подхода к описанию процессов сварки металлов взрывом и является причиной неувядаемого интереса к экспериментальным данным.

Рис. 10. Поверхность раздела двух сваренных металлов представляет собой волнообразную линию

Рис. 11. Волнообразование в сварной зоне отсутствует

В работе приведены результаты экспериментальных исследований по сварке взрывом различных металлов. Сварке подвергались такие материалы, как молибден, медь, ковар, титан, сталь. Исследованы также зоны соединения титана и нержавеющей стали при повышенных температурах. Они позволили установить характер распределения упрочнения в зоне сварки (рис. 12).

НУ, кГ/мм2

1

500 -

т

1 400

300

0.2 0.16 0.12 0.08 0.04 0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2

Расстояние, мм

Рис. 12. Распределение упрочнения по сечению в зоне сварки взрывом ОТ4-1+12Х18НЮТ

В работе подробно изложены все технологические схемы проведения экспериментальных исследований.

В этой же главе представлены результаты сварки взрывом материалов, метаемых без зазора. Дело в том, что в ряде практических задач установка зазора и угла между свариваемыми деталями оказывается затрудненной либо вообще невозможной. В связи с этим нами были проведены исследования особенностей сварки контактирующих первоначально без зазора металлических заготовок. Эксперименты проводили с различными металлами. Все пластины имели размеры 50 х 150 мм. Толщину пластин изменяли от 1 до 7 мм. Трубы изготавливали из электротехнического алюминия так, чтобы первая практически входила в отверстие второй. Установленные без зазора пластины и трубы метались продуктами детонации заряда ВВ из аммонита № 6ЖВ толщиной 10 — 20 мм насыпной плотности, ТЭНа и гексопласта Г75 на неподвижную жесткую преграду. Исходные данные и результаты эксперимента приведены в таблице.

В работе представлены подробное описание технологических схем и результаты экспериментов с различными образцами. Распределение микротвердости в образцах приведено на рис. 13, 14.

В заключение главы рассмотрены и проанализированы физические модели взрывного соединения металлов. Из анализа моделей видно стремление авторов упростить решение задачи по механике взрывного соединения металлов. Эти упрощения в некоторых случаях носят разумный характер, обеспечивая более или менее приемлемый результат. Тем не менее при анализе были отмечены работы, где упрощение процесса позволило построить модель, не соответствующую действительности. В частности, это имеет место, когда делается попытка использовать аппарат теории упругости, что, по нашему мнению, приводит по крайней мере к двум неточностям. Первая состоит в том, что на основе упругого решения исследуется поле напряжений, по которому пытаются судить о развитии процесса необратимой деформации материала. Однако в большинстве случаев исходное поле напряжений, как только начнется необратимая деформация, будет изменяться кардинальным образом. Следовательно, нельзя такую задачу расчленять, так как поле напряжений непрерывно следит за развитием необратимой деформации и одновременно управляет им. Такая взаимосвязь сильно усложняет задачу, однако исключить ее или обойти невозможно, ибо во взаимосвязи поля напряжения и процесса деформации -суть явления.

№ Материал Толщина База Вес Тип ВВ, Результат

п/п пластин пластин полета пластин Р г 1 ВВ ' 1 сварки

5/А h, мм /и, / т2

1 Ст.З-Al 4/9,5 3,5 240/188 ТЭН, 140 Нет

2 Ст.З — Ст.З 1,7/3,1 7,5 105/190 6ЖВ, 100 Нет

3 Ст.З-Ti 4,0/1,0 10,0 240/35 6ЖВ, 150 След

4 Си-Ст.З 2,4/4,0 10,2 240/150 6ЖВ, 160 Нет

5 Ст.З-Ti 4,1/1,0 10,0 240/30 6ЖВ, 140 След

6 Ст.З-Ti 3,8/1,0 15,0 220/30 6ЖВ, 175 След

7 Си-А1 (АД-1) 2,4/2,8 10,0 160/55 6ЖВ, 175 Сварка, образца №9

8 Ст.З-Al 4,05/1,75 10,0 240/43 6ЖВ, 135 След, дюраль,

(Д-16) разрушен

9 Си-Al (Д-16) 4,6/1,75 10,0 310/44 6ЖВ, 140 След, дюраль, разрушен

10 Си-Al (АД-1) 2,4/1,7 7,0 160/40 6ЖВ, 100 Сварка, образца №12

11 Ст.З-Al 1,9/2,9 7,0 110/60 6ЖВ, 105 Нет

12 Ст.З-Al 3,9/2,85 8,0 240/55 6ЖВ, 100 Нет

13 Си —Al 4,9/2,9 10,0 325/65 6ЖВ, 145 Слабый след

14 Cu-Al 4,9/2,9 10,0 325/65 Г-75/6ЖВ, 145 Нет

15 Ст.З-Ti 3,2/2,0 10,0 210/60 6ЖВ, 180 След

16 Си-Al 2,95/2,90 8,5 230/60 6ЖВ, 140 Нет

17 Cu-Al 2,95/2,45 10,0 225/50 6ЖВ, 135 Нет

18 Ст.З-Ti 4,1/2,0 10,0 245/65 Г-75/6ЖВ, 145 Слабый след

19 Cu-Al 2,95/2,5 10,0 225/55 Г-75/6ЖВ, 180 Нет

20 Cu-Al 5,0/2,9 6,0 330/65 6ЖВ, 145 Обычная сварка, № 16

Второй неправильный прием состоит в том, что на основе решения упрощенной задачи в рамках теории упругости выводятся некоторые общие закономерности, которые якобы качественно должны быть справедливы и при деформировании материала взрывом. Кроме того высокоскоростная деформация сопровождается в точке контакта интенсивной диссипацией механической энергии, что невозможно учесть в рамках теории упругости, построенной на линейной связи напряжений и деформаций.

кГ/мм

Рис. 13. Распределение микротвердости в меди у границы зоны сварки (цифры - номера образцов)

По нашему мнению, более правильным является изучение волнообразования на поверхности раздела в рамках гидроупругопластической модели. Данная модель аналогична зонной модели камуфлетного взрыва. В «ближней зоне», т.е. в точке контакта металл подобен идеальной несжимаемой жидкости. Такое предположение основано на том, что в малой окрестности точки контакта могут возникнуть давления, во много раз превышающие пределы текучести материалов (I зона). Зону перехода можно охарактеризовать числом Рейнольдса. На микрофотографиях сварных швов хорошо видны следы пластических течений, свидетельствующие о движении переходного слоя вслед за точкой контакта. В зоне пластических деформаций начинают проявляться прочностные характеристики, которая завершается «вмораживанием» уже образовавшихся волн. В упругой зоне деформации обратимы.

Четвертая глава посвящена исследованию механизма и обоснованию выбора модели упрочнения металлов при импульсном (взрывном) воздействии. В главе представлены результаты экспериментальных исследований и теоретический анализ имеющихся публикаций, в том числе и собственных исследований автора.

кГ/мм

II

Ш"

»0

£.0

«8 ;

«д

Рис.14. Распределение микротвердости в алюминиевом сплаве у границы зоны сварки

Несмотря на многочисленные публикации механизм упрочнения металлов и сплавов, подвергнутых ударно-волновому нагружению, нельзя считать выясненным полностью. Среди параметров, определяющих эффект упрочнения, различные авторы называют величину давления во фронте ударной волны, величину деформации за фронтом, форму и длительность импульса сжатия, время нарастания давления и др. На упрочнение влияет также способ ударно-волнового нагружения, например, подрыв контактного заряда или удар пластиной, если образец находится в области нестационарного движения ударной волны.

Таким образом, на современном этапе исследований процесса ударно-волнового упрочнения трудно указать полный набор параметров ударного сжатия и характеристик материала, определяющих эффект упрочнения. Бесспорно лишь весьма общее утверждение, что величина упрочнения определяется количеством искажений, остающихся в решетке после прохождения ударной волны.

К настоящему времени накоплен обширный экспериментальный материал по определению механических характеристик различных материалов и сплавов после воздействия сильных ударных волн. Однако неизвестны какие-либо серьезные попытки обобщения имеющихся экспериментальных данных для построения единых зависимостей, связывающих параметры ударного сжатия и изменения остаточных свойств для материа-

лов и сплавов, различных по кристаллической структуре и свойствам. Несомненно, что установление корреляции между остаточными характеристиками материалов после ударного сжатия, параметрами ударной волны и свойствами материалов является важной задачей. Если бы существовал большой набор зависимостей остаточных свойств от условий сжатия и можно было точно указать полный набор величин, определяющих процесс дефектообразования в ударной волне, то можно было бы воспользоваться анализом размерностей. К сожалению, для такого подхода необходимые данные отсутствуют.

Широкому использованию взрывных методов обработки деталей машин и механизмов препятствует недостаточная изученность характеристик структуры и свойств металлов и сплавов после нагружения по различным схемам и поведения их при последующих термообработках. Взрывное воздействие может приводить к различного типа структурам в зависимости от условий нагружения. Поэтому представляется важным установление связи между условиями взрывного нагружения и изменениями в структуре металлов, выявления факторов, определяющих свойства обработанного взрывом металла.

Одно из важнейших условий, отмечаемое также в известных публикациях, - наличие или отсутствие существенной остаточной деформации. Необходимо отличать обработку собственно ударной волной, когда образец или деталь практически не претерпевает формоизменения, от взрывного нагружения в условиях, когда оно сопровождается значительным пластическим течением. Поскольку эти случаи взрывного нагружения существенно отличаются происходящими физическими процессами, то и структура, а следовательно, и свойства металлов, обработанных таким образом, также должны быть различны. Кроме того остаточные пластические деформации изменяют геометрические размеры упрочненных деталей настолько, что это выходит за поля допусков обрабатываемых размеров и приводит к браку.

Исследования показали — степень упрочнения деталей из стали 110Г13Л в основном зависит от толщины слоя взрывчатого вещества. Изменение толщины слоя ВВ от 3 мм до 12 мм приводит к увеличению поверхностной твердости с НВ = 300 до НВ = 380 (твердость по Бринеллю). В то же время увеличение толщины слоя ВВ приводит к значительным остаточным деформациям деталей. Нами была проведена серия экспериментов по определению влияния толщины ВВ, схем расположения заряда и инициирования на изменение геометрических размеров формы, а также на изменение структуры металла деталей машин и механизмов. Упрочнению подвергали детали, как прошедшие механическую обработку, так и не

обработанные. Импульсному воздействию подвергали зубья венцов ведущих колес и грунтозацепы траков гусениц. В качестве взрывчатого вещества использовали гексопласт Г-75. В работе подробно изложена технология и методика проведенных экспериментов. Твердость замеряли по Ро-квелу на приборе ТК-2.

Замеры зубьев венца до и после упрочнения их взрывом показали, что при упрочнении наблюдается значительная деформация, возрастающая с увеличением массы заряда, и это обстоятельство необходимо учитывать при разработке технологии промышленного упрочнения металлоизделий.

Качественно аналогичные результаты были получены также и при упрочнении грунтозацепов траков гусениц. Образцы для исследования микро- и макроструктуры вырезали из упрочненных венцов и траков, причем из образцов при вершине зуба готовили шлифы для исследования микроструктуры, а на образцах при основании зуба определяли твердость. Исходная твердость зуба венца составляет 18-19 \ШС. Эксперименты подтвердили, что поверхностная твердость упрочненной стали 110Г13Л зависит от величины давления во фронте ударной волны и от длительности импульса. Твердость зуба с увеличением толщины слоя ВВ возрастает и на глубине 5мм от поверхности при толщине слоя ВВ — 3мм составила 30-32 ЖС, при толщине слоя ВВ 5мм - 34-35 НЯС, а при 9мм - 43^4 ИКС. Твердость зубьев в центральной части исходного металла, при толщине слоя ВВ 5 мм — 21 Ш1С, а при остальных режимах упрочнения твердость центральной части зубьев оставалась достаточно высокой, порядка 2529 Н11С. При толщине слоя ВВ 3 мм твердость на глубине 5 мм возросла по сравнению с исходной в 2 раза, а при толщине заряда ВВ 5 мм - в 2,5 раза (рис. 15).

Аналогичные результаты по замерам твердости получены на образцах, вырезанных из крайних ушек и грунтозацепов упрочненных траков. Твердость на глубине 2 мм от упрочненной поверхности на ушках составляет 35-36 ЯДС, а на грунтозацепах - 41-43 НЯС. По мере удаления от поверхности твердость падает и на расстоянии 10 лш составляет 25 ИКС. При дальнейшем увеличении толщины заряда ВВ прирост твердости уменьшается.

Металлографические исследования структуры образцов, вырезанных из средней части зубьев венцов, показали, что микроструктура не-упрочненного металла соответствует стали 110Г13Л в состоянии после литья и закалки. В структуре стали, упрочненной взрывом, на всех исследуемых режимах под микроскопом не обнаружено фазовых превращений, т.е.

аустенит является устойчивым и упрочнение идет за счет скольжения и двойникования.

няс

1 " ........ 1 6 / 1 . _....... 1_______ ...

! I Г 1 д ^ 1 /

I 1 •-/______|......

\

! т * 1 \ !

О 5 ¡.0 15 » а 1«

мм

Рис. 15. Зависимость твердости зубьев от толщины заряда ВВ по глубине образца: 1 - без упрочнения; 2 — толщина заряда ВВ 3 мм; 3 — 5 лгм; 4 — в мм; 5 — 7 мм; 6 — 9 мм (распределение твердости от вершины зуба)

При упрочнении взрывом слоем ВВ толщиной 3 мм в структуре вблизи поверхности в зернах аустенита преобладает множественное скольжение, т.е. видимые параллельные линии скольжения идут в двух направлениях. По мере удаления от упрочняемой поверхности число таких зерен уменьшается, начинают преобладать зерна с линиями скольжения, идущими в одном направлении, и далее появляются зерна без линий скольжения. В центральной части зуба структура аналогична исходной. С увеличением толщины слоя ВВ величина зоны с множественными искажениями увеличивается и при толщине слоя ВВ 9 мм зерна с множественными искажениями наблюдаются даже в центре зуба. Структура образцов, вырезанных из крайних ушек и грунтозацепов упрочненных траков, сред-незернистая. В средней части шлифа образца, вырезанного из ушка, отмечается рыхлота, образовавшаяся в процессе кристаллизации при литье. Ис-

ходная структура всех исследованных траков — аустенит с неметаллическими включениями, которые видны на шлифах в виде черных пятен (рис. 16).

Рис. 16. Микроструктура образца из грунтозацепа трака до упрочнения. Черные пятна — неметаллические включения (х 160)

После упрочнения взрывом при всех схемах и режимах аустенит-ные зерна приобретают множество линий скольжения и двойникования (рис.17).

По мере удаления от упрочненной поверхности количество зерен с линиями скольжения уменьшается.

Рис. 17. Микроструктура образца из грунтозацепа трака после упрочнения слоем ВВ толщиной 4 мм на глубине 6 мм (х160)

В работе приведены также результаты упрочнения металлов зарядами ВВ, расположенными на поверхности металлов несплошным образом (с зазором). Из этих экспериментов следует, что равномерного упрочнения можно достичь и в случае несплошного расположения заряда ВВ. В частности, равномерное упрочнение поверхности на глубину 3 — 4 мм было получено при расположении пластического ВВ толщиной 4 мм с промежутком не более 4 мм между листами (полосами).

Ключевым моментом в решении задачи импульсного упрочнения, является выбор математической модели, достаточно адекватно описывающей поведение металла в реальных условиях. Для построения модели, как известно, в первую очередь выясняют, какие параметры являются наиболее важными. Первое, на что обращается внимание и что отмечается во многих исследованиях, следующее: величина упрочнения пропорциональна давлению во фронте ударной волны. В проанализированных работах рассматриваются различные возможности математического описания поведения среды при динамическом деформировании как упругопластиче-ских, так и нелинейных вязкопластических моделей, учитывающих микроструктурные механизмы пластичности.

Тщательное сравнение экспериментальных данных с результатами расчетов показало, что некоторые модели неверно передают характер затухания ударных волн при их взаимодействии с догоняющей волной разрежения. Из анализа исследований следует, что в наибольшей степени соответствует экспериментальным данным описание в рамках моделей, учитывающих дислокационные механизмы кинетики пластического деформирования.

Тем не менее в настоящее время выбор математической модели не представляется однозначным. Можно только отметить, что наиболее близкие результаты получаются, если в модели присутствует так называемое максвелловское затухание.

В пятой главе результаты 3-й и 4-й глав используются для разработки эффективных технологических схем упрочнения металлических изделий взрывом в полевых условиях. К ним относятся работы по упрочнению зубьев ковшей экскаваторов ЭКГ-4,6; 2503 и клыков шагающего экскаватора. В качестве ВВ использовали гексопласт ГП-87к, толщиной 3 — 4 мм (в состоянии поставки), который инициировался электродетонатором ЭД-8. Передающей средой (защитным слоем) между зарядом ВВ и поверхностью зуба служил солидол, который одновременно удерживал ВВ на упрочняемой поверхности. При упрочнении возможны следующие схемы установки зубьев на рабочей площадке: раздельное, попарное и рядное.

Пример раздельного упрочнения изделия показан на рис.18 (исходное положение) и рис.19 (после взрыва).

Рис. 18. Зуб ковша, подготовленный к раздельному упрочнению: 1 - заряд ВВ, 2 - электродетонатор ЭД-8

Рис. 19. Зуб ковша после упрочнения

Работы по упрочнению зубьев и ступиц ведущего колеса, выполненного из стали Г13Л, основаны на результатах исследований по упрочнению быстро изнашиваемых деталей землеройной и камнедробильной техники, изложенных в 4-й главе.

На рис. 20 и 21 представлен зубчатый венец до и после взрывной обработки.

В этой же главе представлены подробные исследования причин разрушения металлических изделий при упрочнении взрывом.

Взрывной обработке подвергались режущие кромки ножей рабочих органов землеройных машин, зубья ковшей экскаваторов и других деталей.

При этом наряду с упрочнением наблюдалось и разрушение деталей. Так, при обработке 270 ножей Д492-0003-0400-07/08 разрушилось 20 шт., а из 260 ножей марки Д610-0101-02/03 ушло в брак 28 шт. Нагруже-ние осуществлялось аммонитом № 6ЖВ и гексопластами. Несмотря на то, что упрочнение ножей проводилось только на ширине режущей кромки, их разрушение происходило по всей плоскости детали в разных направлениях, что отчетливо видно на фотографиях (рис. 22).

Для установления причин разрушения ножей были тщательно осмотрены изломы в плоскостях отрыва. Во многих деталях в изломе обнаружены термически окисленные участки, свидетельствующие о наличии трещин в деталях до упрочнения. Слой окалины в изломе говорит о литейном происхождении трещины. Наличие дефектов в деталях вызвало разрушение ножей при их упрочнении. По данным химического анализа состав образца одного ножа: углерод — 1,3%, марганец - 11,76%, кремний — 0,97%, что соответствует марке стали 110Г13Л.

Рис. 20. Зубчатый венец подготовлен для упрочнения зубьев взрывом ВВ

Рис. 21. Зубчатый венец после взрыва

Исследование микроструктуры образцов, вырезанных из двух раз рушенных деталей, показало, что структура одной детали: аустенит + мар тенсит (рис. 23), структура другой - аустенит + карбиды (рис. 24).

Рис. 22. Вид разрушенных ножей

Рис. 23. Микроструктура образца №1 (аустенит + мартенсит)

Для того чтобы сталь Гадфильда имела высокую износостойкость и одновременно высокую вязкость, ей необходимо придать аустенитную структуру без мартенсита и карбидов (рис. 25).

Аустенитная структура такой стали образуется при термообработке (закалке с 1050 —1100°С). Исследованные образцы разрушенных ножей нормально термообработанному состоянию стали 110Г13Л не соответствуют.

Рис. 24. Микроструктура образца №2 (аустенит + карбиды)

Рис. 25. Микроструктура стали 110Г13Л после термообработки (закалки)

При упрочнении взрывом в микроструктуре в зернах аустенита образуются линии скольжения (рис. 26).

Рис. 26. Микроструктура упрочненного участка образца № 2

В этой же главе исследовано влияние технологических параметров опрессования арматуры сталеалюминевых проводов на качество соединения. Представлены результаты и описание технологии опрессования взрывом втулок тросовых концов грузоподъемных стропов. На рис. 27 и 28 показан трос до и после обжатия его цилиндром с помощью взрыва.

Рис. 27. «Ушко», подготовленное к обжатию взрывом

Рис. 28. Трос, обжатый цилиндром с помощью взрыва

После введения троса в цилиндрическое кольцо конструкция обматывается пластическим ВВ (ГК-75), к которому подсоединяется электродетонатор ЭД-8.

Основные выводы и результаты работы

Основные научные результаты представленной диссертационной работы состоят в следующем:

1. Дана классификация прикладных задач, связанных с импульсным воздействием на горные породы, и обоснован выбор математических моделей при теоретическом исследовании возникающих эффектов. Проведен

сравнительный анализ моделей расчета зарядов выброса сферической симметрии. Показано, что применение метода размерностей при расчете зарядов выброса более оправданно, о чем свидетельствует хорошее соответствие между расчетными и экспериментальными данными.

Обосновано применение жидкостной модели для расчета массы вертикальных цилиндрических зарядов выброса, а также параметров цепочки зарядов такой симметрии. Представлена модель расчета щелевого заряда, а также формула для расчета щелевых зарядов.

Разрешен парадокс бесконечности энергии цилиндрического заряда с физической точки зрения.

Проанализирована немонотонность зависимости глубины кратера от скорости удара, возникающая на определенном промежутке. На основе анализа физических процессов явления, аналитических расчетов и экспериментальных данных уточнен механизм возникновения немонотонности.

Обоснована математическая модель камуфлетного взрыва в сильнопористой среде на основе анализа экспериментальных данных. Приведены результаты натурных взрывов камуфлетного действия в мягких грунтах.

2. Проанализированы физические и математические модели процесса волнообразования при сварке металлов взрывом.

Представлены результаты экспериментальных исследований сварки взрывом. Все эксперименты изложены в подробном описании технологических схем и анализе полученных результатов.

3. Экспериментально установлено, что величина упрочнения, при прочих равных условиях, пропорциональна давлению во фронте ударной волны. Показано, что хорошее сочетание характеристик прочности и пластичности достигается при обработке металла взрывом с последующим старением.

Экспериментально установлено также, что величиной упрочнения, глубиной упрочненного слоя можно управлять за счет типа и толщины взрывчатого вещества, числа подрывов и расположения детонаторов.

Выбор математической модели, достаточно адекватно описывающей поведение металла при импульсном упрочнении, не представляется однозначным.

4. Подробно изложена технология упрочнения металлических изделий взрывом в полевых условиях. На многочисленных примерах упрочнения рабочих органов экскаваторов, землеройной и камнедробильной техники показана эффективность взрывной обработки металлов.

Основные публикации по теме диссертации

Статьи в журналах, рекомендуемых ВАК для публикации результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук:

1. Камалян, С.Р. Об одной схеме расчета действия вертикального цилиндрического заряда выброса / Р.З. Камалян, С.Р. Камалян // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. Приложение. 2006. № 2 (38). - С. 22-26.

2. Камалян, С.Р. К упрочнению металлов при импульсном воздействии / Р.З. Камалян, С.Р. Камалян // Экологический вестник научных центров ЧЭС. 2011. № 3. - С. 49-54.

3. Камалян, С.Р. К проблеме бесконечности энергии в модели идеальной несжимаемой жидкости / Р.З. Камалян, С.Р. Камалян // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2012. № 1. - С. 37-38.

4. Камалян, С.Р. Сравнительный анализ моделей расчета зарядов выброса сферической симметрии / Р.З. Камалян, С.Р. Камалян // Экологический вестник научных центров ЧЭС. 2012. № 3. — С. 28—34.

5. Камалян, С.Р. О моделировании камуфлетного взрыва в пористой среде / Р.З. Камалян, С.Р. Камалян // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2012. № 6. — С. 44-46.

6. Камалян, С.Р. К механизму образования ударных кратеров / Р.З. Камалян, С.Р. Камалян // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2012. № 6. — С. 62— 65.

7. Камалян, С.Р. О некоторых результатах импульсного упрочнения стали / Р.З. Камалян, С.Р. Камалян // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2013. № 1. — С. 126-127.

8. Камалян, С.Р. О некоторых результатах импульсного соединения металлов / Р.З. Камалян, С.Р. Камалян // Экологический вестник научных центров ЧЭС. 2013. № 1. - С. 42-46.

9. Камалян, С.Р. О моделировании волновых процессов в пластически деформируемых средах / Р.З. Камалян, С.Р. Камалян // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2013. № 4. - С. 25-30.

10. Камалян, С.Р. Об импульсном упрочнении металлов / Р.З. Камалян, С.Р. Камалян // Экологический вестник научных центров ЧЭС. 2013. № 3. - С. 27-42.

11. Камалян, С.Р. К расчету параметров вертикальных зарядов выброса/ Р.З. Камалян, С.Р. Камалян // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2013. № 6. - С. 4447.

Статьи в сборниках международных конференций

1. Камалян, С.Р. О некоторых особенностях соединения титана и нержавеющей стали сваркой взрывом / Р.З. Камалян, С.Р. Камалян // материалы III Междунар. науч.-практ. конф. Физико-математические и естественные науки: 30 апреля 2012 г. М.: Спутник, 2012. - С. 111115.

2. Камалян, С.Р. Исследование зоны соединения титана и нержавеющей стали при импульсном воздействии / Р.З. Камалян, С.Р. Камалян // материалы III Междунар. науч.-практ. конф. Физико-математические и естественные науки: 30 апреля 2012 г. М.: Спутник, 2012. - С. 116— 123.

Статьи в журналах, включенных в Российский индекс цитирования

1. Камалян, С.Р. О моделировании сильных возмущений в грунтовом массиве (на примере пористой среды) / Р.З. Камалян, С.Р. Камалян // «European Researcher» Multidisciplinaiy scientific periodical. 2011. №5-1 (7).-P. 496-498.

2. Камалян, С.Р. О модели импульсного соединения металлов / Р.З. Камалян, С.Р. Камалян // «European Researcher» Multidisciplinary scientific periodical. 2011 №5-1 (7). - P. 499-503.

3. Камалян, С.Р. Некоторые результаты экспериментального исследования сварки металлов взрывом / Р.З. Камалян, С.Р. Камалян // Вестник ИМСИТа. 2012. №1-2. - С. 29-34.

4. Камалян, С.Р. О волнах напряжений в пластичных средах / Р.З. Камалян, С.Р. Камалян // Вестник ИМСИТа. 2012. №3-4. -С. 37-43.

5. Камалян, С.Р. О причинах разрушения металлических изделий при импульсном упрочнении / Р.З. Камалян, С.Р. Камалян // Вестник ИМСИТа. 2013. №1-2.-С. 18-21.

Другие издания

1. Камалян, С.Р. К расчету щелевых зарядов / Р.З. Камалян, С.Р. Кама-лян // Обозрение прикладной и промышленной математики. М., 2006. Т. 13. Вып. 6. - С. 1082-1084.

2. Камалян, С.Р. О системе вертикальных цилиндрических зарядов выброса // Обозрение прикладной и промышленной математики. М., 2007. Т. 14. Вып. 4. - С. 714-715.

3. Камалян, С.Р. К механизму образования ударных кратеров / Р.З. Камалян, С.Р. Камалян // Обозрение прикладной и промышленной математики. М., 2009. Вып. 4. - С. 262-263.

4. Камалян, С.Р. Механика кратерообразования / Р.З. Камалян, С.Р. Камалян // Вестник ИМСИТа. 2010. №3-4. - С. 34-36.

5. Камалян, С.Р. Математические модели в решении инженерных и экономических задач: монография / С.Р. Камалян. — Краснодар: Просвещение-ЮГ, 2011. - 207 с.

Автореферат Камалян Самвел Рубенович

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ В ДЕФОРМИРУЕМЫХ СРЕДАХ ПРИ ВЗРЫВНОМ НАГРУЖЕНИИ

Подписано в печать 13.11.2013. Печать трафаретная. Формах 60х847|6. Усл.-изд. л. 2,5. Тираж 100 экз. Заказ №13311.

Тираж изготовлен в типографии ООО «Просвещение-Юг» с оригинал-макета заказчика 350059, г. Краснодар, ул. Селезнева, 2. Тел.: 239-68-31.